(57)【要約】【課題】ノーマリーオン素子を適用したインバータ回路において、電圧投入時のノーマリーオン素子による直流電源短絡を防ぐとともに、部品点数及び通常動作時の電流の通過素子数を削減する。【解決手段】上下どちらか一方のアームにノーマリーオン素子を設け、他方のアームにのみノーマリーオン素子と直列にノーマリーオフ素子を設け、ノーマリーオン素子のゲートとノーマリーオフ素子の負極側を接続する。【選択図】図１
2013183584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、前記スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路の負極側を前記直流電源の負極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力端子に接続された交流出力点とするインバータ回路において、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から正極側である上アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とし、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から負極側である下アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子との直列回路とし、前記下アームの直列回路は前記ノーマリーオン素子の正極側を前記交流出力点側、前記ノーマリーオフ素子の負極側を前記直流電源の負極側になるようにそれぞれ接続し、前記下アームのノーマリーオン素子のゲートと前記ノーマリーオフ素子の負極側を接続したことを特徴とするインバータ回路。
【請求項２】
複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、前記スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路の負極側を前記直流電源の負極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力端子に接続された交流出力点とするインバータ回路において、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から負極側である下アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とし、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から正極側である上アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子との直列回路とし、該上アームの直列回路は前記ノーマリーオン素子の正極側を前記直流電源の正極側、前記ノーマリーオフ素子の負極側を前記交流出力点側になるようにそれぞれ接続し、前記上アームのノーマリーオン素子のゲートと前記ノーマリーオフ素子の負極側を接続したことを特徴とするインバータ回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のインバータ回路において、
前記ノーマリーオフ素子にゲート駆動回路をそれぞれ接続し、前記ゲート駆動回路から出力されるオン・オフ信号によってインバータ動作させることを特徴とするインバータ回路。
【請求項４】
請求項１または請求項２に記載のインバータ回路において、
前記ノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子との直列回路のノーマリーオン素子におけるゲートにダイオードのアノードを接続し、前記ダイオードのカソードを前記ノーマリーオフ素子の負極側に接続し、
全てのノーマリーオン素子にゲート駆動回路を接続したことを特徴とするインバータ回路。
【請求項５】
複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、前記スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路の負極側を前記直流電源の負極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力端子に接続された交流出力点とするインバータ回路において、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から正極側である上アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とし、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から負極側である下アームのスイッチング素子を前記下アーム毎のノーマリーオン素子と正極側が前記下アーム毎のノーマリーオン素子の負極側に共通に接続されたノーマリーオフ素子の直列回路とし、前記下アームの直列回路は、前記ノーマリーオン素子の正極側を交流出力点側、前記ノーマリーオフ素子の負極側を前記直流電源の負極側になるように接続し、
前記下アームのノーマリーオン素子のゲートにダイオードのアノードを接続し、前記ダイオードのカソードを前記ノーマリーオフ素子の負極側に接続し、
全てのノーマリーオン素子のゲート・ソース間にそれぞれゲート駆動回路を接続したことを特徴とするインバータ回路。
【請求項６】
複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、前記スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路の負極側を前記直流電源の負極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力端子に接続された交流出力点とするインバータ回路において、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から正極側である上アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とし、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から負極側である下アームのスイッチング素子を前記下アーム毎のノーマリーオン素子と正極側が前記下アーム毎のノーマリーオン素子の負極側に共通に接続されたノーマリーオフ素子の直列回路とし、前記下アームの直列回路は、前記ノーマリーオン素子の正極側を交流出力点側、前記ノーマリーオフ素子の負極側を前記直流電源の負極側になるように接続し、
前記上アームのノーマリーオン素子のゲート・ソース間にそれぞれゲート駆動回路を接続し、
前記下アームのノーマリーオン素子のゲートと前記直流電源の負極側にそれぞれノーマリーオン素子のゲート駆動回路を接続したことを特徴とするインバータ回路。
【請求項７】
請求項６に記載のインバータ回路において、
前記ノーマリーオン素子のゲート駆動回路の電源は各ゲート駆動回路に共有され、前記ノーマリーオン素子のゲート駆動回路は、前記下アームのノーマリーオン素子のゲートを正電圧あるいは負電圧で駆動することを特徴とするインバータ回路。
【請求項８】
請求項４または請求項５に記載のインバータ回路において、
前記ダイオードと逆直列にツェナーダイオードを接続したことを特徴とするインバータ回路。
【請求項９】
複数のスイッチング素子を直列に接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、前記スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路の負極側を前記直流電源の負極側に接続し、前記スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力端子に接続された交流出力点とするインバータ回路において、
前記スイッチング素子直列回路の交流出力点から正極側である上アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子、交流出力点から負極側である下アームのスイッチング素子をノーマリーオフ素子、あるいは前記上アームのスイッチング素子をノーマリーオフ素子、前記下アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子としたことを特徴とするインバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ノーマリーオン素子を使って直流を交流に変換するインバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にインバータ回路で用いられているスイッチング素子は絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）や絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（MOSFET）などゲート駆動電圧が零付近でオフし、正の閾値電圧以上でオンする、いわゆるノーマリーオフ素子である。しかし、ゲート駆動電圧が零付近でオンし、負のピンチオフ電圧以下でオフする、静電誘導型トランジスタ（SIT）や接合型電界効果トランジスタ（JFET）などのいわゆるノーマリーオン素子の方がノーマリーオフ素子よりも一般的にデバイス特性が優れており、オン抵抗が小さく、インバータ回路に適用した場合に発生する損失も小さい。よって、ノーマリーオン素子を適用することでインバータ回路の高効率化や冷却部品の小形化が可能となる。
【０００３】
しかしながら、ノーマリーオン素子をオフさせるためには、ゲート・ソース間に負の電圧を印加する必要がある。直流電源への電圧投入時のように制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧が確立されていない状態では、ノーマリーオン素子のゲート・ソース間電圧は零でありオン状態となる。
【０００４】
よって、直流電源への電圧投入時では、直流電源がノーマリーオン素子を介して短絡されてしまう。これを回避するためには、その短絡経路にリレーやコンダクタなどの機械スイッチやノーマリーオフの半導体素子を挿入する必要がある。
【０００５】
以下、図１２及び図１３を参照して、ノーマリーオン素子を用いた従来のインバータ回路例を説明する。
図１２に示すのは、下記特許文献１に開示されたようなノーマリーオフの半導体素子を短絡経路に挿入したインバータ回路例である。図１２に示すように全てのノーマリーオン素子１〜６と直列にノーマリーオフ素子１１〜１６をそれぞれ直列に接続し、ノーマリーオン素子１〜６のゲートとノーマリーオフ素子１１〜１６のソースをそれぞれ接続している。ノーマリーオン素子１、３、５のドレインはコンデンサ５１を用いた直流電源の正極に、ソースはノーマリーオフ素子１１、１３、１５のドレインにそれぞれ接続されている。ノーマリーオフ素子１１、１３、１５のソースは、それぞれ交流出力端子２１、２２、２３に接続されている。
【０００６】
また、ノーマリーオン素子２、４、６のドレインは、それぞれ交流出力端子２１、２２、２３にそれぞれ接続され、ノーマリーオン素子２、４、６のソースはノーマリーオフ素子１２、１４、１６のドレインに、ノーマリーオフ素子１２、１４、１６のソースはコンデンサ５１を用いた直流電源の負極にそれぞれ接続されている。
【０００７】
このような構成とすることで、直流電源の短絡経路にオフ状態であるノーマリーオフ素子１１〜１６が挿入され、直流電源のコンデンサ５１は短絡されることなく電源投入後に充電されて電圧が上昇する。ここで、コンデンサ５１の電圧はノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間に印加され、その電圧がノーマリーオン素子１〜６のソース・ゲート間電圧となる。これによって、ノーマリーオン素子１〜６のゲート・ソース間には負の電圧が印加されることになり、ノーマリーオン素子１〜６はオフされる。通常、制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧はコンデンサ５１から図示していないDC-DCコンバータを介して生成されるため、コンデンサ５１の電圧が上昇するとともに制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧も生成され、通常動作の準備が整う。
【０００８】
通常動作時には、ゲート駆動回路６１〜６６によってノーマリーオフ素子１１〜１６をオン・オフさせることで、ノーマリーオン素子１〜６もオン・オフさせて３相交流を出力するインバータ動作を実現する。ノーマリーオフ素子１１〜１６がオンすると、ノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間電圧が零になり、それに接続されているノーマリーオン素子１〜６のゲート・ソース間電圧も零になる。これによって、ノーマリーオン素子１〜６がオンする。逆に、ノーマリーオフ素子１１〜１６がオフするとノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間電圧が上昇し、その電圧がノーマリーオン素子１〜６のソース・ゲート間電圧に印加されるので、ノーマリーオン素子１〜６のゲート・ソース間に負の電圧が印加されてオフする。
【０００９】
次に、ノーマリーオフの半導体素子を短絡経路に挿入するとともにノーマリーオン素子に接続したゲート駆動回路により、直接ノーマリーオン素子をオン・オフさせる従来技術を説明する。
【００１０】
図１３に示すのは、下記特許文献２に開示されたようなノーマリーオフの半導体素子を短絡経路に挿入するとともにノーマリーオン素子に接続したゲート駆動回路により、直接ノーマリーオン素子をオン・オフさせるインバータ回路例である。なお、以下で参照される図面においては、同一の機能の回路素子の符号は、図１２で用いた符号を含めて同一のものを用いる。
【００１１】
図１３に示すインバータ回路と図１２に示すインバータ回路を比較すると、ノーマリーオン素子１〜６、ノーマリーオフ素子１１〜１６、交流出力端子２１〜２３、コンデンサ５１の接続形態は同様である。しかし、図示していないノーマリーオフ素子１１〜１６の駆動回路に加えて、ノーマリーオン素子１〜６を直接駆動する駆動回路４１〜４６が用いられ、ノーマリーオン素子１〜６のゲートとノーマリーオフ素子１１〜１６のソースをダイオード３１〜３６を介してそれぞれ接続している。
【００１２】
図１３に示す従来例においても、コンデンサ５１への電圧投入時は図１２に示す従来例と同様に、コンデンサ５１の短絡をノーマリーオフ素子１１〜１６で防止する。コンデンサ５１の電圧が上昇すると、ノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間電圧も上昇し、その電圧がノーマリーオン素子１〜６のソース・ゲート間に印加させるので、ノーマリーオン素子１〜６もオフされる。コンデンサ５１の電圧上昇とともに図示していない制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧が確立され、ノーマリーオフ素子１１〜１６は常にオンされ、ノーマリーオン素子１〜６はそれぞれのゲート駆動回路４１〜４６によって制御される。
【００１３】
ここで例えば、ノーマリーオン素子１のゲート・ソース間に負の電圧を加えた場合に、ノーマリーオン素子１のソース→ノーマリーオフ素子１１（この時ノーマリーオフ素子１１はオン状態）→ノーマリーオン素子１のゲートの経路でゲート電圧が短絡されないようにダイオード３１が挿入されている。このダイオードを用いることでノーマリーオン素子１のゲート・ソース間に負の電圧を印加させることができ、オフさせることができる。ダイオード３２〜３６も同様な目的でそれぞれ接続されている。
【００１４】
以上説明したような、ノーマリーオフの半導体素子を短絡経路に挿入する従来の対策は装置の大型化や高コスト化、および挿入した素子による損失増加につながる。
すなわち、図１２や図１３に示すような従来の回路では部品点数が多く、装置のコストや体積が増加してしまう。さらに、通常時の動作において、例えば図１２に示す例では、コンデンサ５１→ノーマリーオン素子１→ノーマリーオフ素子１１→交流出力端子２１→負荷→交流出力端子２２→ノーマリーオン素子４→ノーマリーオフ素子１４→コンデンサ５１の経路で負荷に電流が流れるため、電流の通過素子数が４個に増え（通常のインバータでは２個）、導通損失が増加する。
【００１５】
還流期間では、例えば交流出力点２１→ノーマリーオフ素子１１→ノーマリーオン素子１→ノーマリーオン素子３→ノーマリーオフ素子１３→交流出力点２２の経路で電流が流れ、電流の通過素子数は同様に４個となる。また、負荷にモーターなどを用いた場合における負荷からの回生動作時では、この時スイッチング素子がオフしているとすると、例えば交流出力端子２１→ノーマリーオフ素子１１のボディダイオード→ノーマリーオン素子１のボディダイオード→コンデンサ５１→ノーマリーオフ素子１４のボディダイオード→ノーマリーオン素子４のボディダイオードの経路で電流が流れ、各素子に内蔵されたボディダイオードを４個通過する。このように、電流の通過素子数が増加してしまうので、大きな導通損失が発生する。
【００１６】
特許文献２に開示された例では、ノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子の直列回路と並列にダイオードを接続することで電流の通過素子数を削減する技術が開示されているが、ダイオードの追加によってさらに部品点数が増え、コストと体積が増加してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２０１１−６７０５１号公報
【特許文献２】特開２０１１−１０４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
したがって、本発明の解決しようとする課題は、ノーマリーオン素子を適用するインバータ回路において、電圧投入時の直流電源短絡を防ぐために挿入される素子により装置の大型化や高コスト化を招き、さらに通常動作時においては、挿入した素子による損失増加につながるという点である。
【００１９】
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、電圧投入時の直流電源短絡を防ぐとともに、部品点数及び通常動作時の電流の通過素子数を削減した、ノーマリーオン素子を用いるインバータ回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するために、本発明の一つの観点によれば、スイッチング素子を複数直列接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、スイッチング素子直列回路の負極側を直流電源の負極側に接続し、スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力点とするインバータ回路において、インバータ回路を構成するスイッチング素子直列回路の交流出力点から正極側である上アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子あるいはノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子との直列回路とし、スイッチング素子直列回路の交流出力点から負極側である下アームのスイッチング素子をノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子との直列回路あるいはノーマリーオン素子とし、ノーマリーオン素子とノーマリーオフ素子との直列回路は、ノーマリーオン素子の正極側を交流出力点側あるいは直流電源の正極側、ノーマリーオフ素子の負極側を直流電源の負極側あるいは交流出力点側になるようにそれぞれ接続し、ノーマリーオン素子のゲートとノーマリーオフ素子の負極側を接続する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明により、インバータ回路においてノーマリーオフ素子よりも特性の優れたノーマリーオン素子を適用することができる。また、少ない部品点数で電圧投入時における直流電源の短絡を防止することができる。さらに、通常動作時の電流の通過素子数を減らすことができるので、装置の高効率化、小形化、低コスト化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施例１（下アームにのみノーマリーオフ素子を備える）のインバータ回路を説明する図である。
【図２】本発明の実施例１（上アームにのみノーマリーオフ素子を備える）のインバータ回路を説明する図である。
【図３】本発明の実施例２（下アームにのみノーマリーオフ素子を備える）のインバータ回路を説明する図である。
【図４】本発明の実施例２（上アームにのみノーマリーオフ素子を備える）のインバータ回路を説明する図である。
【図５】本発明の実施例３のインバータ回路を説明する図である。
【図６】本発明の実施例４のインバータ回路を説明する図である。
【図７】実施例４のインバータ回路におけるノーマリーオン素子のゲート駆動回路の一例を説明する図である。
【図８】実施例４のインバータ回路におけるノーマリーオン素子のゲート駆動回路の他の一例を説明する図である。
【図９】本発明の実施例５のインバータ回路を説明する図である。
【図１０】実施例５のインバータ回路におけるノーマリーオン素子のゲート駆動回路の一例を説明する図である。
【図１１】本発明の実施例６のインバータ回路を説明する図である。
【図１２】従来技術のインバータ回路の一例を説明する図である。
【図１３】従来技術のインバータ回路の他の一例を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明のインバータ回路は、スイッチング素子を複数直列接続したスイッチング素子直列回路をN個（Nは２以上の自然数）設け、スイッチング素子直列回路の正極側を直流電源の正極側に接続し、スイッチング素子直列回路の負極側を直流電源の負極側に接続し、スイッチング素子直列回路におけるスイッチング素子同士の接続点をそれぞれ交流出力点とするものである。
【００２４】
以下においては、Ｎ＝３、すなわち３相交流出力を例として説明する。なお、上記スイッチング素子直列回路のうち、交流出力点から正極側を上アーム、交流出力点から負極側を下アームといい、両者を区別しないときは、単にアームということがある。また、上アームと下アームが入れ替わった対称的なインバータ回路については、上アームと下アームを区別せずにまとめて説明する場合もある。
【実施例１】
【００２５】
図１と図２に示すのは、本発明の一実施例である実施例１のインバータ回路であり、上アームと下アームのうち一方のアームにはノーマリーオン素子のみを用い、他方のアームにのみノーマリーオン素子と直列に接続したノーマリーオフ素子を用いるものである。
【００２６】
図１には、各上アームにそれぞれノーマリーオン素子１、３、５のみを用いた例が記載されている。ノーマリーオン素子１〜３は、ゲート駆動回路４１、４３、４５によりそれぞれ直接駆動される。各下アームの構成は、図１２に示すインバータ回路の下アームと同様である。
【００２７】
図２には、図１に示すものと対称的なインバータ回路であって、各下アームにそれぞれノーマリーオン素子２、４、６のみを用いた例が記載されている。ノーマリーオン素子２、４、６は、ゲート駆動回路４２、４４、４６によりそれぞれ直接駆動される。各上アームの構成は、図１２に示すインバータ回路の上アームと同様である。
【００２８】
図１および図２に示す実施例１では、下アームまたは上アームのみでノーマリーオフ素子１１〜１６を用いているので、従来技術と比較してノーマリーオフ素子の数を３個（N=３の場合）削減している。
【００２９】
電圧投入時では、コンデンサ５１の電圧が徐々に増加し、その電圧はオフ状態であるノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間に印加される。その電圧が、図１に示すインバータ回路の下アームのノーマリーオン素子２、４、６、あるいは図２に示すインバータ回路の上アームのノーマリーオン素子１、３、５のソース・ゲート間にそれぞれ印加されるので、コンデンサ５１の電圧がノーマリーオン素子のピンチオフ電圧を超えると、図１の場合ノーマリーオン素子２、４、６がオフし、図２の場合ノーマリーオン素子１、３、５がオフする。このような動作によって、下アーム（図１の場合）または上アーム（図２の場合）のノーマリーオン素子がオフするので、コンデンサ５１は短絡することなく充電される。
【００３０】
次に、コンデンサ５１の電圧から図示していないDC-DCコンバータによって図示していない制御回路の電源電圧と図１あるいは図２に示すゲート駆動回路４１〜４６、６１〜６６の電源電圧が生成される。ここで、ゲート駆動回路４１〜４６はノーマリーオン素子１〜６を駆動し、ゲート駆動回路６１〜６６はノーマリーオフ素子１１〜１６を駆動する。
【００３１】
ゲート駆動回路４１〜４６は直接ノーマリーオン素子１〜６を駆動し、零電圧を出力することでオンさせ、負の電圧を印加することでオフさせる。一方、ゲート駆動回路６１〜６６は図１２に示す従来技術と同様な動作でノーマリーオフ素子１１〜１６を介してノーマリーオン素子１〜６を駆動する。なお、図１に示す構成ではノーマリーオフ素子１２、１４、１６のソース電位が共通なので、このソース電位を基準に素子を駆動することができ、ゲート駆動回路６２、６４、６６の電源を共通化できる。
【００３２】
これらの動作によって、コンデンサ５１を短絡させることなく充電させることができ、コンデンサ５１の電圧から制御回路の電源電圧とゲート駆動回路の電源電圧を生成させることができるので、インバータを正常動作させることが可能である。なお、図１の上アームや図２の下アームは全てノーマリーオン素子であるため、電圧投入時にはこれらのスイッチング素子が全てオン状態となる。しかし、交流出力端子２１、２２、２３はそれぞれ同じコンデンサ５１の正極側の電位となるため、負荷の線間に電圧が発生することはなく、負荷に悪影響を与えることはない。
【００３３】
図１の場合における通常時の動作は、例えばコンデンサ５１→ノーマリーオン素子１→交流出力端子２１→負荷→交流出力端子２２→ノーマリーオン素子４→ノーマリーオフ素子１４→コンデンサ５１の経路で負荷に電流が流れるために、電流の通過素子数が３個になり、図１２や図１３に示す従来技術よりも１個減る。
【００３４】
さらに、還流期間では、例えば交流出力端子２１→ノーマリーオン素子１→ノーマリーオン素子３→交流出力端子２２の経路で電流が流れ、電流の通過素子数は２個と半減する。
【００３５】
また、負荷にモーターなどを用いた場合における負荷からの回生動作時では、この時スイッチング素子がオフしているとすると、例えば交流出力端子２１→ノーマリーオン素子１のボディダイオード→コンデンサ５１→ノーマリーオフ素子１４のボディダイオード→ノーマリーオン素子４のボディダイオードの経路で流れ、通過素子数は３個となり１個減る。
【００３６】
このように、部品点数と電流の通過素子数が減ることによって低コスト化と高効率化および小形化が実現可能となる。図２においても上アームと下アームの構成が対称になっているので、同様な電流の通過素子数となり、同様な効果となる。
【実施例２】
【００３７】
図１あるいは図２に示す実施例１では、インバータ動作を、ノーマリーオフ素子１２、１４、１６あるいはノーマリーオフ素子１１、１３、１５を駆動することで行う。この場合、原理的には最初にオフするノーマリーオフ素子１１〜１６にコンデンサ５１の全電圧が印加される。したがって、ノーマリーオフ素子１１〜１６に高耐圧のスイッチング素子が必要になる。低耐圧のスイッチング素子を使うためには、特許第４８４４００７号公報などに記載されているようダイオードやコンデンサなどを追加してノーマリーオフ素子１１〜１６に印加される電圧が過電圧にならないように対策する必要があり、部品点数が増加する。また、過電圧を防ぐために、高速に上昇する素子電圧を僅かな時間内で正確に調整する必要があるので、部品の定数のばらつきなどによる信頼性の低下も懸念される。
【００３８】
そこで、本発明の実施例２では、図３と図４に示すようにコンデンサ５１への電圧投入時のみノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間電圧を用いてノーマリーオン素子をオフさせ、通常時の動作はノーマリーオン素子１〜６を直接駆動する構成としている。
【００３９】
実施例２の図３および図４に示すインバータ回路を実施例１の図１および図２に示すインバータ回路と比較すると、図３に示すインバータ回路の上アームは図１に示すインバータ回路の上アームと一致し、図４に示すインバータ回路の下アームは図２に示すインバータ回路の下アームと一致する。そして、図３に示すインバータ回路の下アームは、図１に示すインバータ回路の下アームに対して、図１３に示す従来例のアームと同様に、ノーマリーオン素子２、４、６のゲートとノーマリーオフ素子１２、１４、１６のソースをそれぞれダイオード３２、３４、３６で接続し、図４に示すインバータ回路の上アームも同様に、ノーマリーオン素子１、３、５のゲートとノーマリーオフ素子１１、１３、１５のソースをそれぞれダイオード３１、３３、３５で接続している。ダイオード３１〜３６を接続する理由は、図１３に示す従来例と同様であり、ノーマリーオン素子１〜６のゲート電圧短絡を防ぐためである。また、ノーマリーオフ素子１１〜１６は、共通のゲート駆動回路６７で駆動している。
【００４０】
電圧投入時におけるコンデンサ５１の電圧は徐々に増加するので、この時ノーマリーオフ素子１１〜１６に印加される電圧変化も小さく、過電圧になる心配も少ない。ノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間電圧がノーマリーオン素子１〜６のピンチオフ電圧（通常は−5V程度）に達すると、図３の例ではノーマリーオン素子２、４、６が、図４の例ではノーマリーオン素子１、３、５がオフし、コンデンサ５１の電圧は、図３の例では下アームの、図４の例では上アームのノーマリーオフ素子とノーマリーオン素子に分圧される。
【００４１】
次に、制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧が確立されると、ゲート駆動回路４１〜４６によってノーマリーオン素子１〜６のゲート・ソース間電圧に負の電圧が印加され、全てのノーマリーオン素子がオフする。次に、ノーマリーオフ素子１１〜１６はゲート駆動回路６７を介して正の電圧が印加されてオンし、ドレイン・ソース間電圧は零となる。よって、ノーマリーオフ素子に高電圧が印加されることなく、インバータ回路の動作準備が整い、正常にコンデンサ５１に直流電源電圧を投入させることができる。
【００４２】
通常動作では、ノーマリーオフ素子１１〜１６は常にオンとなり、ノーマリーオン素子１〜６は専用のゲート駆動回路４１〜４６で駆動される。以上により、通常時におけるノーマリーオフ素子１１〜１６のドレイン・ソース間電圧は零となり、通常時でも耐圧を超えることはない。よって、ノーマリーオフ素子１１〜１６には安価で低オン抵抗である低耐圧のスイッチング素子を適用でき、装置の低コスト化および高効率化、冷却部品の小形化が図れる。
【実施例３】
【００４３】
図５は、本発明の実施例３のインバータ回路を示す図である。図３に示す実施例２のインバータ回路と比べると、ノーマリーオン素子２、４、６のそれぞれのソースを１つのノーマリーオフ素子１７のドレインに共通に接続することにより、図５ではノーマリーオフ素子を１個に削減している。その他の構成は、図３に示すものと同じである。特許文献２でも下アームのノーマリーオフ素子を１個に共有化する技術が開示されているが、本実施例３では上アームのノーマリーオフ素子もすべて削減している。したがって、特許文献２の上述の従来技術よりもノーマリーオフ素子を３個削減できる。
【００４４】
電圧投入時ではコンデンサ５１の電圧がノーマリーオフ素子１７によって短絡されることなく上昇し、ノーマリーオフ素子１７のドレイン・ソース間電圧がノーマリーオン素子２、４、６のピンチオフ電圧に達すると、ノーマリーオン素子２、４、６がオフする。これにより、前述したと同様な動作によってコンデンサ５１が充電され、制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧が生成され、全てのノーマリーオン素子がオフし、ノーマリーオフ素子１７が常にオンする。よって、コンデンサ５１を短絡することなく充電でき、ノーマリーオフ素子１７には安価で低オン抵抗な低耐圧品が適用可能になる。さらに、電流通過素子数は図１や図２と同様に削減できるので高効率、低コスト、小形なインバータ回路が実現可能となる。
【実施例４】
【００４５】
図６は、本発明の実施例４のインバータ回路を示す図である。図５に示す実施例３のインバータ回路と比べると、ダイオード３２、３４、３６を削減し、下アームのノーマリーオン素子２、４、６のゲート駆動回路４２、４４、４６の電源電圧を共通化している。図６には、ゲート駆動回路４２、４４、４６の共通の電源としてコンデンサ５２が記載され、コンデンサ５２からなる電源は、電源コンデンサ５１からDC-DCコンバータ８１を介して生成される。
【００４６】
図５に示す実施例３のインバータ回路では、ノーマリーオン素子２、４、６をオフするための負の電圧を印加するために、ダイオード３２、３４、３６を用いている。例えば、ゲート駆動回路４２が負の電圧を出力するとき、ノーマリーオン素子２のソース→ノーマリーオフ素子１７（この時は通常動作のためにオン）→ノーマリーオン素子２のゲートの経路で短絡しないようにダイオード３２が接続されている。ダイオード３４とダイオード３６も同様な理由で用いられている。また、図５や特許文献２の例ではゲート駆動回路４２、４４、４６にそれぞれ個別に絶縁された電源電圧が必要であり、ゲート駆動回路の電源電圧を生成するための回路が複雑になる。
【００４７】
それに対して、図６ではゲート駆動回路４２、４４、４６の電源電圧（コンデンサ５２）の正極側をノーマリーオフ素子１７のソースに接続し、ノーマリーオン素子２、４、６のゲートにコンデンサ５２の正極側電位あるいは負極側電位を供給してノーマリーオン素子２、４、６をオン・オフする構成とすることで、ダイオード３２、３４、３６を削減することを可能にするとともに、ゲート駆動回路４２、４４、４６の電源電圧を共有化している。
【００４８】
図７は、図６に示すゲート駆動回路４２、４４、４６の例を示す図である。
ここで、例えばノーマリーオン素子２をオフする場合、ゲート駆動回路４２のスイッチング素子８３をオンさせる。すると、コンデンサ５２→ノーマリーオフ素子１７（この時は通常動作のためにオン）→ノーマリーオン素子２のソース・ゲート間→スイッチング素子８３→ゲート抵抗９３→コンデンサ５２の経路でノーマリーオン素子２に負のゲート電圧が印加される。
【００４９】
逆にオンさせる場合には、スイッチング素子８３をオフさせ、スイッチング素子８２をオンさせる。すると、ノーマリーオン素子２のソース→ノーマリーオフ素子１７（この時は通常動作のためにオン）→ゲート抵抗９２→スイッチング素子８２→ノーマリーオン素子２のゲート経路でノーマリーオン素子２のソース・ゲート間電圧が放電されて零になり、オンする。ゲート駆動回路４４とゲート駆動回路４６も同様な動作となり、ノーマリーオン素子４とノーマリーオン素子６をそれぞれオン・オフさせる。このような構成にすることで、部品点数を削減でき、装置を低コスト化、小形化できる。
【００５０】
図８は、実施例４の変形例を示すものであり、ゲート駆動回路４２、４４、４６の電源の構成を変更したものである。図８と図７を比較すると、図８にはコンデンサ５３が追加されている。コンデンサ５３の正極側はゲート駆動回路４２、４４、４６のゲート抵抗９２、９４、９６を介してスイッチング素子８２、８４、８６にそれぞれ接続され、コンデンサ５３の負極側はコンデンサ５２の正極側に接続されている。
【００５１】
この構成により、ノーマリーオン素子２、４、６をオンさせる場合、正電圧を印加することができ、ノイズの混入などによってゲート・ソース間電圧が変動した場合でも確実にオンさせることができ、信頼性が向上する。さらに、オン時とオフ時のゲート・ソース間電圧の差を大きくすることができるので、ゲート電流が増加し、高速なスイッチングが可能になり、スイッチング損失を低減できる。
【００５２】
オン時の動作は、例えばゲート駆動回路４２のスイッチング素子８２をオンすることで、コンデンサ５３→ゲート抵抗９２→スイッチング素子８２→ノーマリーオン素子２のゲート・ソース間→ノーマリーオフ素子１７（この時は通常動作のためにオン）→コンデンサ５３の経路で、ノーマリーオン素子２のゲート・ソース間電圧にコンデンサ５３の正の電圧が印加される。ノーマリーオン素子２をオフさせる場合は、図７に示す例と同様であり、ノーマリーオン素子２のゲート・ソース間電圧はコンデンサ５２の負の電圧でクランプされる。
【００５３】
よって、オン時とオフ時のゲート電圧の差はコンデンサ５２の電圧とコンデンサ５３の電圧の和となり、スイッチング時には大きなゲート電流が流れる。さらに、ピンチオフ電圧（通常-5V程度）とオン時のゲート電圧の差が大きくなる。よって、装置の高効率化、冷却部品の小形化、低コスト化ができ、信頼性も向上する。
【実施例５】
【００５４】
図９は、本発明の実施例５のインバータ回路を示す図である。図５に示す実施例３のインバータ回路と比べると、各ダイオード３２、３４、３６と直列にツェナーダイオード７２、７４，７６をそれぞれ接続している点で異なる。また、図９に示す下アームのノーマリーオン素子２、４、６のゲート駆動回路４２、４４、４６は、図１０に示す構成を有する。本実施例５は、ノーマリーオン素子２、４、６をオンさせる際に正の電圧を印加させる別の手法を示している。
【００５５】
図１０に示すように、例えばゲート駆動回路４２は、ゲート抵抗９２、スイッチング素子８２、スイッチング素子８３、ゲート抵抗９３の直列回路であり、直流電源であるコンデンサ５５、５４の直列回路が並列に接続されている。そして、コンデンサ５５の負極側とコンデンサ５４の正極側の接続点はノーマリーオン素子２のゲートに接続されるとともに、ツェナーダイオード７２、ダイオード３２を介してコンデンサ５１の負極側に接続されている。また、スイッチング素子８２とスイッチング素子８３の接続点は、ノーマリーオン素子２のソースに接続されている。他のゲート駆動回路４４、４６も同様である。
【００５６】
例えば、スイッチング素子８３をオンさせることで、コンデンサ５４→ノーマリーオン素子２のゲート・ソース間→スイッチング素子８３→ゲート抵抗９３→コンデンサ５４の経路で、ノーマリーオン素子２のゲート・ソース間に正の電圧が印加される。ここで、コンデンサ５４の電圧以上でクランプするツェナーダイオード７２を用いることで、ゲート・ソース間に正の電圧が印加されても短絡されることはない。ノーマリーオン素子２をオフする場合には、スイッチング素子８３をオフし、スイッチング素子８２をオンさせる。すると、コンデンサ５５→ゲート抵抗９２→スイッチング素子８２→ノーマリーオン素子２のソース・ゲート間→コンデンサ５５の経路となり、ノーマリーオン素子２のゲート・ソース間にコンデンサ５５の負の電圧が印加される。このような構成でもオン時とオフ時のゲート電圧の差を大きくすることができ、装置の高効率化、冷却部品の小形化、低コスト化ができ、信頼性も向上させることができる。
【実施例６】
【００５７】
図１１は、本発明の実施例６のインバータ回路を示す図である。図１に示す実施例１のインバータ回路と比べると、ノーマリーオン素子２、４、６を削減している。すなわち、ノーマリーオン素子１、３、５を上アーム、ノーマリーオフ素子１２、１４、１６を下アームにそれぞれ適用した構成となっている。
【００５８】
このような構成においても、電圧投入時の制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧が確立されていない状態においてのコンデンサ５１の短絡を防止できる。例えば、電圧投入時にコンデンサ５１の電圧が上昇するとその電圧はゲート電圧が零付近でオフ状態となるノーマリーオフ素子１２、１４、１６に印加される。よって、コンデンサ５１の電圧は短絡されることなく上昇し、コンデンサ５１の電圧から制御回路の電源電圧やゲート駆動回路の電源電圧が生成されると、通常のインバータ動作の準備が整う。
【００５９】
この構成では全てのスイッチング素子をノーマリーオフ素子する方式と比較して、半分の素子は特性の良いノーマリーオン素子となるので効率が向上し、冷却部品の小形化、低コスト化が可能である。なお、上アームにノーマリーオフ素子を適用し、下アームにノーマリーオン素子を適用しても回路の対称性から同様な動作となる。
【００６０】
以上詳細に説明した本発明の実施例は、三相出力（N=3）についてのものであるが、単相出力（N=2）の場合やその他の相数においても、同様に本発明を適用できることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は、ノーマリーオン素子を適用して直流から単相交流や三相交流に変換するインバータ回路において利用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１、３、５          上アームのノーマリーオン素子
２、４、６          下アームのノーマリーオン素子
１１、１３、１５    上アームのノーマリーオフ素子
１２、１４、１６    下アームのノーマリーオフ素子
１７                下アーム共通のノーマリーオフ素子
２１、２２、２３    出力端子
３１、３３、３５    上アーム側のダイオード
３２、３４、３６    下アーム側のダイオード
４１、４３、４５    上アームのノーマリーオン素子のゲート駆動回路
４２、４４、４６    下アームのノーマリーオン素子のゲート駆動回路
５１、５２、５３    コンデンサ
５４、５５          コンデンサ
６１、６３、６５    上アームのノーマリーオフ素子のゲート駆動回路
６２、６４、６６    下アームのノーマリーオフ素子のゲート駆動回路
６７                ノーマリーオフ素子１７のゲート駆動回路
７２、７４、７６    ツェナーダイオード
８２〜８７          スイッチング素子
９２〜９７          ゲート抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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